基于體素內不相干運動的MR擴散加權成像對前列腺癌診斷價值的初步研究

萬紅燕，畢蕓祺，衣巖，湯群鋒，陳靜雯，方向明*

1.南京醫科大學附屬無錫市人民醫院影像科，無錫 214023

2.中國人民解放軍軍事醫學科學院科技部，北京 100850

前列腺癌為老年男性常見的惡性腫瘤，磁共振擴散加權成像(diffusion weighted imaging，DWI)對其應用較廣泛，相比較常規序列T2WI，可提高其診斷的敏感性及準確性[1-2]。1986年Le Bihan等[3]提出體素內不相干運動(Intravoxel incoherent motion，IVIM)MR成像理論，多b值的DWI成像能夠無創的區分組織內單純水分子運動的真性擴散及微循環血液灌注形成的假性擴散，因此其潛在應用價值有可能超越DWI和ADC。本研究利用IVIM原理對前列腺進行多b值的DWI，比較前列腺癌及非癌外周帶組織之間純水分子擴散系數(pure molecular-based diffusion coefficient，D)、灌注相關擴散系數(pseudo diffusion coefficient of perfusion，D*)及灌注分數(perfusion fraction，f)的差異，初步評價該成像方法在前列腺癌診斷中的價值。

1 材料與方法

1.1 臨床資料

連續性回顧性搜集2013年9月至2014年9月在我院就診的有完整臨床資料、MR IVIM檢查和穿刺活檢病理結果為前列腺外周帶癌患者45例(實驗組)，年齡53～85歲，中位數年齡72歲。血清前列腺特異性抗原(PSA)增高，范圍約5.43～150.00 ng/ml 。同期同方法收集穿刺活檢病理顯示前列腺未見癌組織13例(對照組)，年齡60～81歲，中位數年齡70歲，PSA范圍約3.52～22.16 ng/ml。所有病例穿刺活檢與MRI檢查時間間隔在1個月內，活檢經直腸超聲引導下進行，采取標準11針法，由操作醫生繪圖記錄活檢部位。所有患者均簽署知情同意書。

1.2 影像學檢查

采用 Siemens Trio Tim3.0 T MR成像，腹部相控陣線圈，以前列腺為中心行常規MRI及DWI檢查。軸面抑脂T2WI掃描參數：TR 4000 ms，TE 100 ms，層厚3 mm，層間距3 mm； 多b值DWI(8個b值分別為0、50、100、150、200、400、600、800 s/mm2)，掃描條件：TR 3200 ms，TE 84 ms，層厚3 mm，層間距3 mm，掃描時間為5 min 15s。

1.3 影像分析方法

將多b值DWI數據傳送至IVIM軟件，經過軟件自動算取獲得D、D*及f參數圖。主觀觀察D、D*及f參數圖前列腺外周帶信號是否異常。結合常規MRI及前列腺穿刺活檢病理結果，在穿刺活檢對應的前列腺外周帶癌區域(實驗組)及非癌區域(對照組)內選取感興趣區(ROI)，如果常規MRI圖像外周帶信號改變不典型，則根據穿刺病理結果定位，ROI避開尿道周圍、出血及鈣化灶等。3幅參數圖同時測量，選取的ROI為圓形，每個ROI包含約35個像素，獲取相應的D、D*及f值，每個區域測量3次，取平均值。

根據IVIM理論計算為雙指數函數公式：

S/S0=(1-f)×exp(-bD)+ f×exp[-b(D*+D)]公式1 1.4 統計學分析

所有數據采用SPSS 19.0軟件進行統計學分析，每組內先進行正態分布性檢驗，經證實為正態分布后，前列腺癌區及對照組外周帶組織的各組數值比較采用獨立樣本t檢驗，P＜0.05為差異有統計學意義。用受試者工作特征曲線(receiver operating characteristic curve，ROC)評價D值的診斷效能。

2 結果

2.1 擴散加權圖像信號特點總體表現

實驗組45例前列腺外周帶癌中累及中央葉12例，侵犯精囊腺8例，盆腔淋巴結轉移8例，伴骨骼轉移11例。45例中發現病灶49個，49個病灶在T2WI上呈典型低信號改變36個(73.5%，36/49)，另外8個病灶局部信號欠均勻，其余5個病灶信號改變不明顯。在DWI圖像表現為相對高信號有41個病灶(占83.7%，41/49)，且ADC圖上病灶信號相對減低，其中28個病灶隨著b值增加高信號愈明顯，其余13個病灶僅在高b值圖像上顯示信號輕度異常。

在D值參數圖上，實驗組49個前列腺癌病灶中有45個呈低信號(91.85%，45/49)，與周圍前列腺組織間信號反差明顯，在該45個病灶中D*值及f值參數圖僅22個病灶與周圍前列腺組織信號之間有較明顯差異，18個病灶與周圍前列腺組織等信號，5個病灶信號稍高于周圍前列腺組織(圖1～6)。

對照組13例中2例表現為T2WI上外周帶信號明顯不均勻，有可疑低信號區，在DWI(b=800 s/mm2)圖像上呈稍高信號。其余11例前列腺外周帶在常規MR-T2WI表現為均勻稍高信號，未異常低信號，在D值、D*值及f值參數圖上未見異常信號區(圖7、8)。

2.2 IVIM各參數在前列腺外周帶癌組織和對照組外周帶組織之間的差異

實驗組前列腺癌區域的D值、D*值及f值均低于對照組外周帶組織，但僅有D值在癌組織和非癌外周帶組織之間的差異有統計學意義，詳見表1。

表1 實驗組前列腺外周帶癌區域與對照組外周帶組織的D值、D*值及f值比較Tab.1 Mean,standard deviation and t value of D,D* and f parameters for 45 cancerous tissues and 13 noncancerous tissues

2.3 IVIM參數D值對前列腺癌的診斷效能評估

D值的ROC曲線，曲線下面積為0.952，利用D值對前列腺癌診斷的最佳閾值為0.89×10-3mm2/s，其診斷敏感性為100%，特異性為66.7%(圖9)。

3 討論

體素內不相干運動理論最早由Le Bihan等[3-4]提出，DWI計算出的ADC值不僅包括體素內的水分子單純擴散而且還包括血管內水分子無方向運動，具體表現為MRDWI時隨著b值的增加，ADC值逐漸減小(如圖6，可以觀察到信號下降呈曲棍球桿狀)，b值≤200 s/mm2時信號下降明顯，衰減曲線形態陡峭，b值≥200 s/mm2時斜率相對較低，信號衰減曲線平直。其原因為擴散信號不僅來源于單純水分子運動的真性擴散，而且還來源于微循環血液灌注形成的假性擴散，b值較小時流動血液質子的位移較大，信號衰減明顯，其中灌注相關假性擴散的影響明顯大于單純水分子擴散；b值較大時流動血液質子信號已衰減，灌注相關假性擴散對信號影響明顯較小，簡而言之，b值較小時計算出的D*值主要反映微灌注所致的擴散效應，單位mm2/s。b值較大時計算出的D值反映純水分子擴散效應，單位mm2/s，f值代表微循環所致的灌注效應占總體擴散效應的容積比率。因此本研究采用了由小到大共8個b值進行DWI成像。

目前ADC值的計算是采用單指數函數公式：S/S0=exp(－bD)計算，從圖6信號衰減曲線下降方式來看，用單指數函數計算顯然不夠精確。需利用雙指數函數公式(公式1)，通過計算可獲的D值、D*值及f值，更能體現組織中微循環灌注及單純水分子擴散的特性。

多b值的DWI成像中b值的數值及數量的選取比較重要，但目前未沒有達成完全的共識[5]。根據公式(1)推出至少需使用4個不同b值(包括b=0)才能完成計算。目前前列腺研究[6-7]中使用的b值多為4～11個不等，甚至更多。理論上使用越多b值，特別是低b值數量，D*值計算的準確性會增加，但隨之而來采集時間也相應延長。本研究中采用8個b值成像，其中低b值共5個，首先已滿足計算公式的要求，另外5分15秒的檢查時長對于檢查者來說基本可以接受。

IVIM MR成像已應用于多個組織器官，較多的出現在肝臟、胰腺及腎臟[8-10]等部位的彌漫性及腫瘤性疾病中，獲得的結論從臨床角度證實了IVIM理論。目前關于前列腺的IVIM的研究主要應用于前列腺癌及前列腺增生的診斷及鑒別診斷。本研究中前列腺癌區域的D值明顯低于非癌外周帶組織，兩者之間的差異有統計學意義，該結果與以往的類似研究的結果相一致[7，11-12]，但本組患者例數較多，且較D?pfert等[7]及葉錦堂等[11]研究時采用了更多的b值，理論上獲取的數據更精確些。D值減低表明單純的水分子擴散受限，與MR DWI單指數函數公式計算出的ADC值下降相一致，主要是由于前列腺癌組織細胞密度大，核漿比較高，細胞內外液體含量減少，限制了水分子自由運動。本研究獲取的前列腺癌D值低于以往研究[13]中的ADC值，間接說明組織中微循環灌注對ADC值有一定的影響，剔除了灌注因素的分子擴散系數D值更精確的反映了細胞內外水分子擴散運動。

圖1～6 男，75歲，前列腺癌。圖1～3分別為D值、D*值及f值參數圖，D值參數圖所見偏左側外周帶及中央葉信號減低，D*值參數圖未見明顯信號差異，f值圖前列腺偏左側信號略減低；圖4、5為DWI圖及ADC圖，病灶分別呈現明顯高信號及明顯低信號；圖6為信號衰減曲線圖，橫左標為b值，縱坐標為信號強度，由圖可見紅色曲線呈曲棍球桿樣形狀，低b值區域(＜200 s/mm2)曲線下降較陡峭，高b值區域(＞200 s/mm2)曲線下降相對較平緩，前列腺癌與非癌外周帶兩者曲線有差異 圖7 對照組前列腺D值系數圖 圖8 非癌外周帶測量兩個不同位置ROI獲取的信號衰減曲線圖，兩曲線在低b值及高b值區域趨勢基本一致圖9 純水分子擴散系數D值的ROC曲線Fig.1—6 Seventy-fi ve year-old man,prostate cancer.Fig.1:D map shows low signal of the prostate left peripheral zone and central zone.Fig.2:D*map shows no obvious abnormal signal.Fig.3:f map shows light low signal of the left prostate.Fig.4—5:Tumor of left peripheral and center zone showed relatively high signal with DWI and relatively low signal with ADC images.Fig.6:The signal attenuation curves of cancerous tissue and healthy peripheral zone had the shape of a hockey stick.There is a steeper slope of signal attenuation at low b values compared with more gradual attenuation of signal at higher b values.The curves of cancerous tissue and healthy peripheral zone were different.Fig.7 Healthy prostate tissue D map.Fig.8 The signal attenuation curves of the healthy peripheral zone in different location have the same tendency.Fig.9 ROC-curve of pure molecular-based diffusion coeffi cient(D).

本研究中前列腺癌的D*值及f值較非癌外周帶組織減低，與D?pfert等[7]研究相一致，但兩者無統計學差異。D*值的方差較大，D*值參數圖(圖2)圖像質量亦較差，前列腺癌組織部分與非癌組織無法肉眼觀察出，這主要是由于雙指數函數公式有3個參數，數值的變異性明顯大于單指數模型。前列腺癌灌注成像研究中[13]顯示癌組織的血容量明顯高于正常組織，這與本研究的D*值及f值并不一致，部分可能的原因為IVIM成像中與灌注相關的系數也對管道結構液體的流動及腺體的分泌等敏感[12]；另外有可能為與D*值及f值測量重復性差，統計不夠準確有關，王英偉[14]關于IVIM成像在胰腺可重復性研究表明D值有良好的測量可重復性，f值的可重復性一般，D*值重復性差，這些結論也間接支持了以上推測。根據IVIM理論計算得到的f值會依賴于掃描參數，隨回波時間延長而增加，可能會過高估計，可以做T2矯正以期準確測量[15]。多b值的DWI成像及灌注成像均可獲取微循環灌注的信息，但前者顯而易見的優點在于無創及減少了造影劑的使用，將會有良好的應用前景。

本研究的局限性在于超聲引導下的穿刺活檢理論上也存在較小的漏診率，另外D*值及f值的方差大且重復性差，后續的研究中盡量采用大樣本病理作對照，根據結果勾畫出近可能大的ROI來解決該問題。總體來說IVIM能夠精確的描述b值的增加與組織信號衰減之間的關系，利用雙指數函數得出分別反映組織水分子擴散及微循環灌注的量化參數，獲取的D值對前列腺癌的具有診斷價值。

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